Induction Magnétique dans un Transformateur

Calcul de l'Induction Magnétique dans un Transformateur

Calcul de l'Induction Magnétique dans un Transformateur

Contexte : Le cœur du transport de l'énergie électrique.

Dans le domaine des **machines électriques**, le transformateur est un composant omniprésent et essentiel qui permet de modifier les niveaux de tension et de courant. Son fonctionnement repose sur les principes de l'induction électromagnétique. Le dimensionnement correct de son circuit magnétiquePartie du transformateur, généralement en fer doux, qui canalise le flux magnétique généré par l'enroulement primaire vers l'enroulement secondaire. est crucial pour assurer un rendement optimal et éviter les pertes excessives. Un paramètre clé de ce dimensionnement est l'induction magnétique maximaleAussi appelée densité de flux magnétique (B), elle mesure l'intensité du champ magnétique dans le matériau. Elle s'exprime en Tesla (T). (Bmax) dans le fer. Si cette valeur est trop élevée, le noyau sature, entraînant une chute de rendement et une surchauffe. Cet exercice vous guidera dans le calcul de Bmax à partir des caractéristiques d'un transformateur monophasé.

Remarque Pédagogique : Cet exercice illustre l'application directe d'une des lois fondamentales de l'électromagnétisme (la loi de Faraday) à un composant industriel concret. Nous utiliserons la célèbre formule de Boucherot, qui lie la tension à l'induction, pour vérifier si un transformateur est correctement conçu pour fonctionner sur le réseau électrique standard.


Objectifs Pédagogiques

  • Appliquer la formule de BoucherotRelation fondamentale pour les transformateurs : V ≈ 4.44 × N × f × S × Bmax. Elle lie la tension efficace (V) au nombre de spires (N), à la fréquence (f), à la section du noyau (S) et à l'induction maximale (Bmax). pour un transformateur monophasé.
  • Calculer la section droite (aire) d'un noyau magnétique.
  • Déterminer la valeur de l'induction magnétique maximale (Bmax) dans le circuit.
  • Comparer l'induction calculée à la limite de saturationValeur d'induction magnétique au-delà de laquelle un matériau ferromagnétique ne peut plus augmenter sa magnétisation de manière significative. Le circuit magnétique perd alors son efficacité. du matériau.
  • Comprendre l'influence de la tension, de la fréquence et du nombre de spires sur l'induction.

Données de l'étude

On étudie un transformateur monophasé dont le circuit magnétique est constitué de tôles d'acier au silicium. On souhaite vérifier si son dimensionnement est correct pour une alimentation sur le réseau domestique européen.

Schéma d'un Transformateur Monophasé
V1 N1 spires V2 N2 spires Section S b a
Paramètre Symbole Valeur Unité
Tension efficace primaire \(V_1\) 230 \(\text{V}\)
Fréquence du réseau \(f\) 50 \(\text{Hz}\)
Nombre de spires au primaire \(N_1\) 600 -
Dimension 'a' du noyau \(a\) 5 \(\text{cm}\)
Dimension 'b' du noyau \(b\) 6 \(\text{cm}\)
Induction de saturation du matériau \(B_{\text{sat}}\) 1.6 \(\text{T}\)

Questions à traiter

  1. Calculer la section \(S\) du circuit magnétique en mètres carrés (\(\text{m}^2\)).
  2. En utilisant la formule de Boucherot, isoler et calculer la valeur de l'induction magnétique maximale \(B_{\text{max}}\).
  3. Comparer l'induction maximale calculée \(B_{\text{max}}\) à l'induction de saturation \(B_{\text{sat}}\) du matériau.
  4. Conclure sur le dimensionnement du transformateur. Est-il adapté à son usage ? Quel est son coefficient de sécurité par rapport à la saturation ?

Les bases de l'Électromagnétisme pour les Transformateurs

Avant de commencer la correction, rappelons les principes physiques qui gouvernent les transformateurs.

1. Loi de Faraday et Flux Magnétique :
Lorsqu'un enroulement de \(N\) spires est soumis à un flux magnétique variable \(\Phi(t)\), il apparaît à ses bornes une force électromotrice (f.é.m) \(e(t) = -N \frac{d\Phi}{dt}\). Dans un transformateur, la tension sinusoïdale appliquée au primaire crée un flux sinusoïdal dans le noyau.

2. La Formule de Boucherot :
En partant de la loi de Faraday pour des grandeurs sinusoïdales, on établit une relation entre la valeur efficace de la tension \(V\) et la valeur maximale du flux \(\Phi_{\text{max}}\) : \(V = \frac{2\pi}{\sqrt{2}} N f \Phi_{\text{max}}\). Comme le flux est le produit de l'induction \(B\) par la section \(S\) (\(\Phi = B \cdot S\)), on obtient la formule de Boucherot, fondamentale pour le dimensionnement : \[ V \approx 4.44 \cdot N \cdot f \cdot S \cdot B_{\text{max}} \]

3. Saturation Magnétique :
Les matériaux ferromagnétiques comme l'acier ont une capacité limitée à canaliser le flux. Au-delà d'une certaine valeur d'induction, appelée induction de saturation (\(B_{\text{sat}}\)), le matériau ne peut plus s'aimanter davantage. Le flux "fuit" alors du noyau, le courant magnétisant augmente de façon spectaculaire et le transformateur devient très peu efficace et chauffe énormément. On doit donc toujours s'assurer que \(B_{\text{max}} < B_{\text{sat}}\).


Correction : Calcul de l'Induction dans un Transformateur

Question 1 : Calculer la section du circuit magnétique (S)

Principe (le concept physique)

La section du circuit magnétique, notée S, est l'aire de la surface traversée par le flux magnétique. C'est une caractéristique purement géométrique du noyau. Pour un noyau de section rectangulaire, il s'agit simplement de multiplier ses deux dimensions. Cette section est cruciale car, pour un flux donné, plus elle est grande, plus l'induction (densité de flux) sera faible.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Dans les transformateurs réels, on ne prend pas l'aire géométrique brute. Le noyau est constitué de tôles fines isolées les unes des autres pour limiter les courants de Foucault. On applique donc un "coefficient de remplissage" (généralement entre 0.95 et 0.98) pour obtenir la "section magnétique nette", légèrement inférieure à la section géométrique. Pour cet exercice, nous négligerons ce coefficient.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

L'erreur la plus fréquente ici est la gestion des unités. Les dimensions sont données en centimètres (cm), mais la formule de Boucherot utilise des unités du Système International (mètres, Tesla, etc.). La première étape doit toujours être de convertir toutes les données dans un système cohérent. Convertir les cm en m dès le départ évite des erreurs d'un facteur 100 ou 10 000 plus tard !

Normes (la référence réglementaire)

Les dimensions des circuits magnétiques sont standardisées (par exemple, les circuits de type E+I). Les constructeurs fournissent des abaques qui donnent directement la section magnétique et la puissance apparente que le circuit peut transférer pour une induction et une fréquence données.

Formule(s) (l'outil mathématique)

Pour une section rectangulaire de côtés \(a\) et \(b\) :

\[ S = a \cdot b \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que le noyau a une section rectangulaire uniforme sur toute la longueur du circuit magnétique.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Dimension 'a' du noyau = 5 cm
  • Dimension 'b' du noyau = 6 cm
Astuces(Pour aller plus vite)

Pour convertir des cm² en m², souvenez-vous que 1 m = 100 cm. Donc, 1 m² = (100 cm)² = 10 000 cm². Pour passer des cm² aux m², il faut donc diviser par 10 000, ou multiplier par 10⁻⁴.

Schéma (Avant les calculs)
Section du Noyau Magnétique
a = 5 cmb = 6 cm
Calcul(s) (l'application numérique)

1. Convertir les dimensions en mètres :

\[ \begin{aligned} a &= 5 \, \text{cm} = 0.05 \, \text{m} \\ b &= 6 \, \text{cm} = 0.06 \, \text{m} \end{aligned} \]

2. Calculer la section S en m² :

\[ \begin{aligned} S &= a \cdot b \\ &= 0.05 \, \text{m} \cdot 0.06 \, \text{m} \\ &= 0.003 \, \text{m}^2 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Section avec Aire Calculée
S = 0.003 m²
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Une section de 0.003 m² (soit 30 cm²) est une valeur typique pour un petit transformateur de quelques centaines de Volt-Ampères. Cette valeur géométrique va directement influencer l'induction magnétique.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

L'erreur la plus grave est d'oublier la conversion d'unités et de faire le calcul en cm². Si vous utilisez S = 30 cm² dans la formule de Boucherot, votre résultat pour Bmax sera 10 000 fois trop petit, conduisant à une conclusion totalement erronée.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La section magnétique \(S\) est l'aire traversée par le flux.
  • Elle doit impérativement être exprimée en mètres carrés (\(\text{m}^2\)) pour les calculs.
  • \(1 \, \text{m}^2 = 10000 \, \text{cm}^2\).
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Pour les transformateurs de très haute puissance, le noyau peut être énorme. Pour évacuer la chaleur, il est immergé dans une cuve remplie d'huile qui circule à travers des radiateurs. La section magnétique peut atteindre plusieurs mètres carrés !

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
La section du circuit magnétique est de 0.003 \(\text{m}^2\).
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si le noyau était carré avec un côté de 8 cm, quelle serait sa section en m² ?

Question 2 : Calculer l'induction magnétique maximale (Bmax)

Principe (le concept physique)

La formule de Boucherot est la relation centrale qui lie toutes les grandeurs clés d'un transformateur. Elle nous dit que pour une tension et une fréquence imposées par le réseau, le produit \(N \cdot S \cdot B_{\text{max}}\) est fixé. Puisque nous connaissons la tension V, la fréquence f, le nombre de spires N et que nous venons de calculer la section S, nous pouvons réarranger la formule pour trouver la seule inconnue : l'induction maximale \(B_{\text{max}}\).

Mini-Cours (approfondissement théorique)

Le coefficient 4.44 vient de \(2\pi/\sqrt{2}\). Le \(\sqrt{2}\) sert à passer de la valeur maximale de la tension à sa valeur efficace (celle mesurée par un voltmètre). Le \(2\pi f\) vient de la dérivation d'une fonction sinusoïdale \(\Phi(t) = \Phi_{\text{max}}\sin(2\pi f t)\). La formule est donc une conséquence directe de la loi de Faraday en régime sinusoïdal.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Voyez la formule comme un équilibre. Si vous voulez diminuer le nombre de spires N (pour économiser du cuivre, qui est cher), vous devrez augmenter la section S ou accepter une induction Bmax plus élevée. Le travail de l'ingénieur est de trouver le meilleur compromis entre le coût des matériaux (cuivre, fer) et les performances techniques (éviter la saturation).

Normes (la référence réglementaire)

La formule de Boucherot est une approximation qui néglige la chute de tension due à la résistance de l'enroulement et aux flux de fuite. Pour les calculs de précision définis par les normes (comme la IEC 60076), des modèles plus complexes sont utilisés, mais la formule de Boucherot reste la base du prédimensionnement.

Formule(s) (l'outil mathématique)

On part de la formule de Boucherot et on isole \(B_{\text{max}}\) :

\[ V_1 \approx 4.44 \cdot N_1 \cdot f \cdot S \cdot B_{\text{max}} \quad \Rightarrow \quad B_{\text{max}} = \frac{V_1}{4.44 \cdot N_1 \cdot f \cdot S} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On considère le transformateur comme "parfait", c'est-à-dire qu'on néglige les chutes de tension internes. Cette hypothèse est tout à fait acceptable pour un calcul à vide (sans charge au secondaire).

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Tension primaire, \(V_1 = 230 \, \text{V}\)
  • Fréquence, \(f = 50 \, \text{Hz}\)
  • Nombre de spires, \(N_1 = 600\)
  • Section du noyau, \(S = 0.003 \, \text{m}^2\) (du calcul Q1)
Astuces(Pour aller plus vite)

Calculez d'abord le dénominateur \(4.44 \cdot N_1 \cdot f \cdot S\). Cela simplifie la saisie sur la calculatrice et réduit le risque d'erreur. \(4.44 \times 600 \times 50 \times 0.003 = 399.6\). Ensuite, faites simplement \(230 / 399.6\).

Schéma (Avant les calculs)
Isolation de Bmax dans la Formule
Bmax = V1 / (4.44 * N1 * f * S)? T
Calcul(s) (l'application numérique)

En utilisant les unités du Système International, le résultat pour Bmax sera en Tesla (T).

\[ \begin{aligned} B_{\text{max}} &= \frac{V_1}{4.44 \cdot N_1 \cdot f \cdot S} \\ &= \frac{230}{4.44 \cdot 600 \cdot 50 \cdot 0.003} \\ &= \frac{230}{399.6} \\ &\approx 0.576 \, \text{T} \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Valeur de Bmax Calculée
Bmax = 230 V / 399.6≈ 0.58 T
Réflexions (l'interprétation du résultat)

L'induction magnétique maximale dans le noyau, lorsqu'il est alimenté en 230V à 50Hz, est d'environ 0.58 Tesla. C'est une valeur a priori faible, ce qui est souvent le signe d'un dimensionnement prudent ou d'un transformateur conçu pour une autre application (par exemple, une fréquence plus élevée).

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Assurez-vous d'utiliser la bonne tension avec le bon nombre de spires. La formule s'applique aussi bien au secondaire (\(V_2\), \(N_2\)), mais il faut être cohérent. Utiliser \(V_1\) avec \(N_2\) est une erreur courante qui n'a aucun sens physique.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La formule de Boucherot est l'outil principal pour calculer \(B_{\text{max}}\).
  • \(B_{\text{max}}\) est proportionnel à la tension \(V\).
  • \(B_{\text{max}}\) est inversement proportionnel à la fréquence, au nombre de spires et à la section.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Si vous branchez un transformateur 110V / 60Hz (standard américain) sur une prise 230V / 50Hz (standard européen), la tension double quasiment, tandis que la fréquence baisse légèrement. D'après la formule, \(B_{\text{max}}\) va plus que doubler, provoquant une saturation quasi certaine du noyau, une surchauffe rapide et la destruction probable du transformateur !

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
L'induction magnétique maximale dans le noyau est d'environ 0.58 T.
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si on utilisait ce transformateur sur un réseau à 60 Hz avec la même tension de 230V, quelle serait la nouvelle valeur de Bmax en Tesla ?

Question 3 : Comparer l'induction maximale \(B_{\text{max}}\) à l'induction de saturation \(B_{\text{sat}}\)

Principe (le concept physique)

Cette étape est une vérification de critère. Après avoir calculé la valeur de l'induction dans les conditions de fonctionnement (\(B_{\text{max}}\)), il est impératif de la comparer à la limite physique du matériau utilisé (\(B_{\text{sat}}\)). Cette comparaison directe permet de déterminer si le noyau magnétique va fonctionner dans sa zone de travail normale (linéaire) ou s'il risque d'entrer en saturation, un phénomène hautement indésirable.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

La relation entre l'induction B et le champ d'excitation H (\(B = \mu H\)) dans un matériau ferromagnétique n'est linéaire que pour des faibles valeurs. Lorsque H augmente, la perméabilité \(\mu\) chute drastiquement : c'est la saturation. Le calcul du coefficient de sécurité (\(k = B_{\text{sat}} / B_{\text{max}}\)) est une méthode standard en ingénierie pour quantifier la marge de sécurité par rapport à une limite de défaillance.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Imaginez que \(B_{\text{sat}}\) est la hauteur maximale d'un pont et que \(B_{\text{max}}\) est la hauteur du camion qui doit passer dessous. Cette question consiste simplement à vérifier que le camion est moins haut que le pont. Le coefficient de sécurité vous dit "de combien" le camion est moins haut. Un coefficient de 2 signifie que le pont est deux fois plus haut que le camion.

Normes (la référence réglementaire)

Les normes de conception de transformateurs, comme la série IEC 60076, ne fixent pas de valeur d'induction maximale mais imposent des tests de surtension et de performance qui contraignent indirectement les ingénieurs à choisir une induction de fonctionnement qui garantit une marge de sécurité adéquate par rapport à la saturation.

Formule(s) (l'outil mathématique)

La condition de non-saturation et le calcul du coefficient de sécurité (k) sont :

\[ B_{\text{max}} < B_{\text{sat}} \quad \text{et} \quad k = \frac{B_{\text{sat}}}{B_{\text{max}}} \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

On suppose que la valeur de Bsat fournie par le fabricant de tôle est fiable et homogène dans tout le noyau.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Induction maximale calculée, \(B_{\text{max}} \approx 0.58 \, \text{T}\)
  • Induction de saturation, \(B_{\text{sat}} = 1.6 \, \text{T}\)
Astuces(Pour aller plus vite)

Un coefficient de sécurité inférieur à 1.1 est généralement considéré comme dangereux. Un coefficient supérieur à 2 est souvent non économique. Une bonne conception se situe souvent avec un coefficient entre 1.2 et 1.5.

Schéma (Avant les calculs)
Jauge de Saturation
Zone OKSaturationBsat=1.6 T
Calcul(s) (l'application numérique)

1. Comparaison directe :

\[ B_{\text{max}} < B_{\text{sat}} \quad \Rightarrow \quad 0.58 \, \text{T} < 1.6 \, \text{T} \]

2. Calcul du coefficient de sécurité (k) :

\[ \begin{aligned} k &= \frac{B_{\text{sat}}}{B_{\text{max}}} \\ &= \frac{1.6}{0.58} \\ &\approx 2.76 \end{aligned} \]
Schéma (Après les calculs)
Positionnement de Bmax sur la Jauge
Bsat=1.6 TBmax=0.58 T
Réflexions (l'interprétation du résultat)

La comparaison numérique montre que l'induction de fonctionnement (0.58 T) est nettement inférieure à la limite de saturation (1.6 T). Le coefficient de sécurité, qui est le rapport des deux, est de 2.76. Ce chiffre confirme qu'il existe une marge de sécurité très importante.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Attention à ne pas inverser le rapport lors du calcul du coefficient de sécurité. Un résultat inférieur à 1 signifierait que \(B_{\text{max}} > B_{\text{sat}}\), ce qui correspond à un fonctionnement impossible en pratique. Le coefficient de sécurité doit toujours être supérieur à 1.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La comparaison est une simple vérification d'inégalité : \(B_{\text{max}} < B_{\text{sat}}\).
  • Le coefficient de sécurité \(k = B_{\text{sat}} / B_{\text{max}}\) quantifie la marge avant la défaillance (saturation).
  • Un coefficient élevé indique une grande marge de sécurité.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Les aciers amorphes, une nouvelle classe de matériaux pour les noyaux, ont une induction de saturation plus faible (environ 1.4 T) mais présentent des pertes fer beaucoup plus basses. Ils sont utilisés dans les transformateurs à très haut rendement énergétique, où la réduction des pertes sur la durée de vie compense le coût initial plus élevé.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
L'induction maximale (0.58 T) est inférieure à la limite de saturation (1.6 T), avec un coefficient de sécurité de 2.76.
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Si on utilisait un matériau moins performant avec Bsat = 1.2 T, quel serait le nouveau coefficient de sécurité ?

Question 4 : Conclure sur le dimensionnement du transformateur

Principe (le concept physique)

Cette question finale ne porte plus sur un calcul brut, mais sur le jugement de l'ingénieur. Il s'agit d'interpréter les résultats numériques de la question 3 (\(B_{\text{max}}\) et le coefficient de sécurité) pour porter une appréciation sur la qualité du dimensionnement du transformateur, en tenant compte des compromis techniques et économiques.

Mini-Cours (approfondissement théorique)

L'optimisation d'un transformateur est un problème multi-critères. Il faut minimiser le coût total (cuivre pour les enroulements + fer pour le noyau), tout en respectant des contraintes de performance (ne pas saturer, limiter l'échauffement, minimiser les pertes à vide et en charge) et de volume. Un \(B_{\text{max}}\) faible implique un grand nombre de spires ou une grande section, donc plus de matière et un coût plus élevé.

Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)

Il n'y a pas une seule "bonne" réponse ici, mais une conclusion argumentée. Un bon ingénieur ne dit pas seulement "c'est bon" ou "c'est mauvais", il explique pourquoi. La conclusion doit mentionner à la fois l'aspect sécurité (le transformateur ne risque rien) et l'aspect économique (il est probablement plus cher que nécessaire).

Normes (la référence réglementaire)

Les nouvelles réglementations sur l'écoconception (comme la norme européenne EN 50588-1) imposent des niveaux de rendement minimum pour les transformateurs mis sur le marché. Ces contraintes obligent les concepteurs à trouver des compromis optimaux entre les pertes dans le cuivre (liées au courant) et les pertes dans le fer (liées à \(B_{\text{max}}\)).

Formule(s) (l'outil mathématique)

Il n'y a pas de nouvelle formule pour cette question. On se base sur l'interprétation du coefficient de sécurité calculé précédemment :

\[ k = \frac{B_{\text{sat}}}{B_{\text{max}}} \approx 2.76 \]
Hypothèses (le cadre du calcul)

La conclusion suppose que les données de l'énoncé (tension, fréquence) représentent les conditions de fonctionnement nominales et permanentes du transformateur.

Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
  • Coefficient de sécurité calculé, \(k \approx 2.76\)
  • Valeurs typiques de \(B_{\text{max}}\) pour l'acier au silicium (généralement > 1.2 T)
Astuces(Pour aller plus vite)

Pour formuler une bonne conclusion, suivez trois étapes : 1. Statut de la sécurité ("Le transformateur est-il sûr ? Oui/Non"). 2. Justification ("Car le coefficient de sécurité de X est très supérieur à 1"). 3. Nuance ("Cependant, cette valeur est si élevée qu'elle suggère un surdimensionnement...").

Schéma (Avant les calculs)
Le Compromis de l'Ingénieur
SécuritéCoût
Calcul(s) (l'application numérique)

Aucun nouveau calcul n'est nécessaire. L'analyse se base sur la valeur de \(k \approx 2.76\) déjà trouvée.

Schéma (Après les calculs)
Un Dimensionnement Déséquilibré
Sécurité ÉlevéeCoût Élevé
Réflexions (l'interprétation du résultat)

Le transformateur est parfaitement adapté à son usage du point de vue de la sécurité : il ne saturera jamais dans les conditions nominales. Cependant, son dimensionnement n'est pas optimal d'un point de vue économique. Le coefficient de sécurité de 2.76 est excessif et indique que le noyau et/ou le bobinage sont surdimensionnés. Cela entraîne un coût de fabrication et un poids plus élevés que nécessaire.

Points de vigilance (les erreurs à éviter)

Évitez de donner une conclusion binaire ("bon" ou "mauvais"). Un dimensionnement est rarement parfait. Il est important de souligner les aspects positifs (sécurité) et négatifs (coût, poids) pour démontrer une compréhension complète des enjeux de la conception d'une machine électrique.

Points à retenir (permettre a l'apprenant de maitriser la question)
  • La conclusion doit évaluer la sécurité et la pertinence économique.
  • Un coefficient de sécurité très élevé n'est pas forcément un bon dimensionnement.
  • La conception en machines électriques est toujours une affaire de compromis.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)

Dans les applications aérospatiales, les transformateurs fonctionnent à des fréquences beaucoup plus élevées (typiquement 400 Hz). D'après la formule de Boucherot, pour une même tension, si on multiplie la fréquence par 8 (de 50 à 400 Hz), on peut diviser la section du noyau ou le nombre de spires par 8. C'est pourquoi les équipements électriques d'avion sont beaucoup plus légers et compacts.

FAQ (pour lever les doutes)
Résultat Final (la conclusion chiffrée)
Le transformateur est adapté à son usage car il ne sature pas. Cependant, son coefficient de sécurité de 2.76 est très élevé, indiquant un surdimensionnement probable d'un point de vue économique.
A vous de jouer(pour verifier la comprehension de l'etudiant parrapport a la question)

Pour optimiser ce transformateur (réduire son coût), quelle serait la première piste à explorer ?


Outil Interactif : Paramètres du Transformateur

Modifiez les paramètres du transformateur pour voir leur influence sur l'induction magnétique.

Paramètres d'Entrée
230 V
50 Hz
600
Résultats Clés
Induction Max (Bmax) -
État du Noyau -
Coeff. de Sécurité -

Le Saviez-Vous ?

Le bourdonnement caractéristique d'un transformateur ou d'une ligne à haute tension n'est pas directement un bruit électrique. Il est causé par un phénomène appelé magnétostriction : le noyau magnétique se dilate et se contracte très légèrement à deux fois la fréquence du réseau (soit 100 Hz en Europe) sous l'effet du champ magnétique variable, agissant comme une sorte de haut-parleur.


Foire Aux Questions (FAQ)

Que se passe-t-il exactement quand le noyau sature ?

Lorsque le noyau sature, il ne peut plus "absorber" de flux supplémentaire. La variation de flux s'effondre, et donc la force contre-électromotrice (\(e = -N d\Phi/dt\)) qui s'oppose à la tension d'alimentation disparaît. L'enroulement primaire se comporte alors comme un simple fil de cuivre de faible résistance branché sur 230V : le courant d'appel devient énorme, ce qui fait sauter les protections (fusibles, disjoncteurs) ou détruit l'enroulement par effet Joule.

Pourquoi le noyau est-il fait de tôles empilées et non d'un bloc de fer massif ?

Le flux magnétique variable induit des courants électriques à l'intérieur même du noyau de fer, appelés courants de Foucault. Dans un bloc massif, ces courants pourraient être très intenses et dissiperaient une énorme quantité d'énergie sous forme de chaleur (pertes fer). En découpant le noyau en fines tôles isolées électriquement les unes des autres, on force ces courants à ne circuler que dans de petites boucles, ce qui réduit considérablement leur intensité et les pertes associées.


Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Si on augmente la fréquence du réseau de 50 Hz à 60 Hz sans changer la tension, l'induction Bmax va...

2. Pour un transformateur donné, si on double la tension d'alimentation, pour garder la même valeur de Bmax, il faudrait...


Induction Magnétique (B)
Aussi appelée densité de flux magnétique, elle représente la quantité de flux magnétique par unité de surface. C'est une mesure de l'intensité du champ magnétique dans un matériau. Unité : Tesla (T).
Formule de Boucherot
Relation fondamentale liant la tension efficace V aux bornes d'un enroulement à ses caractéristiques : \( V \approx 4.44 \cdot N \cdot f \cdot S \cdot B_{\text{max}} \).
Saturation Magnétique
Phénomène physique dans les matériaux ferromagnétiques où une augmentation du champ magnétique externe n'entraîne plus une augmentation proportionnelle de l'induction interne. Le matériau est "plein" de flux.
Calcul de l'Induction Magnétique dans un Transformateur

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